一种纤维带增韧蜂窝芯体的夹芯结构的制作方法

本发明涉及一种纤维带增韧铝蜂窝芯体的夹芯结构，该结构在保证轻质、不损伤蒙皮及芯体力学性能的前提下，能够很大程度的改善夹芯结构常见的面芯界面脱粘，显著提高结构强度和刚度。

背景技术：

碳纤维夹芯结构以其轻质、比强度大、比模量高、隔热隔声，耐腐蚀的优点，被广泛应用于航空航天，船舶、汽车制造等领域。然而，碳纤维夹芯结构存在界面韧性差，面芯界面易脱粘的问题。目前解决碳纤维夹芯结构界面韧性差，面芯界面易脱粘常用的方法是z-pin法和缝纫法，但这两种方法均会对蒙皮和芯体造成一定程度损伤，降低结构面内性能，而且这类方法不适用于强度较高及内部结构规则的芯体，如金属泡沫和蜂窝芯体。

发明人之前提出了一种使用芳纶短纤维薄膜增韧夹芯结构面芯界面的方法(参考非专利文献composites:parta43(2012)2059-2064和composite:parta67(2014)102-110)，这种方法不受芯体材料与芯体构型限制，对泡沫铝芯体夹芯结构和蜂窝铝芯体夹芯结构有明显增韧效果。但针对传统蜂窝芯体夹芯结构，由于面芯界面接触面积较小，单纯使用芳纶短纤维薄膜增韧夹芯结构面芯界面仍会出现面芯界面脱粘的情况。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种纤维带增韧蜂窝芯体的夹芯结构。该结构基于渐变思想，在蜂窝芯体与蒙皮界面添加芳纶短纤维薄膜和纤维带，在结构上形成过渡区，通过芳纶短纤维的桥连作用和纤维带的连接作用，提高面芯界面接触面积和面芯结合强度，避免结构发生界面脱粘破坏。试验结果显示，纤维带具有裂纹阻隔作用，能够有效避免面芯界面大面积脱粘，保证结构发生整体性能，同时该增韧夹芯结构还能够提高结构局部刚度，避免结构发生局部屈曲破坏。

本发明的技术方案：

一种纤维带增韧蜂窝芯体的夹芯结构，主要由上蒙皮3、下蒙皮5、蜂窝芯体2、芳纶短纤维薄膜4和纤维增韧带1构成；

所述的上蒙皮3和下蒙皮5为金属材质或由碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维制成的复合材料；

所述的蜂窝芯体2由无上下表面、横截面为多边形的柱体单胞组成；所述的蜂窝芯体2由金属材料、有机高分子材料或碳纤维制成；

所述的芳纶短纤维薄膜4由面密度为0.1-500g/m²，长度2-50mm，直径5nm-50μm的芳纶短切纤维构成；

所述的纤维增韧带1为纤维预浸料沿纤维方向剪裁成一定宽度的带状条，由碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维形成；

所述的纤维增韧带1依次间隔穿插蜂窝芯体2，纤维增韧带1在蜂窝芯体2中呈z形瓦楞状分布，形成增韧型蜂窝芯体；

所述的增韧型蜂窝芯体与蒙皮界面铺设芳纶短纤维薄膜4，芳纶短纤维薄膜4外层对应铺设上蒙皮3和下蒙皮5，各部分通过树脂固化连接形成纤维带增韧蜂窝芯体的夹芯结构，其中纤维增韧带1不插入蒙皮，不会对蒙皮引入新损伤。

为保证蒙皮与芯体之间有足够的接触面积，所述的增韧型蜂窝芯体表面上，纤维增韧带1覆盖蜂窝芯体2单胞面积不低于蜂窝芯体2面积的6.7％；为保证增韧纤维增韧带1能够发挥蒙皮与蜂窝芯体2的协同作用，纤维增韧带1之间间隔不大于5个芯体单胞，且小于等于60mm；纤维增韧带1穿插足距不大于10个蜂窝芯体2单胞，且小于等于120mm；其中穿插足距是指一个z形单元中纤维增韧带1在一个蜂窝芯体2表面上覆盖蜂窝芯体2单胞的长度。

所述的纤维带增韧蜂窝芯体的夹芯结构通过在模具中依次铺设下蒙皮5、芳纶短纤维薄膜4、增韧型蜂窝芯体、芳纶短纤维薄膜4、上蒙皮3，经热压固化整体一次性成型。

所述夹芯结构根据工程需要制成板、桥或梁结构形式。

本发明的有益效果：

使用纤维带增韧蜂窝芯体夹芯结构，在不以损伤蒙皮与芯体为代价的前提下，能够极大的增加芯体与蒙皮的接触面芯，提高芯体与蒙皮的结合强度，抵抗面芯界面脱粘。

纤维带在插入芯体部分，与芯体单胞形成三角形稳定结构，能够在一定程度上提高夹芯结构的抗压强度和抗剪切强度。

纤维带在面芯界面形成间断带状结构，即便在面芯界面没有纤维带覆盖区域有裂纹产生，当裂纹扩展至有纤维带覆盖芯体的带状区域时，由于存在不连续界面，这些带状结构阻断裂纹扩展，保证结构发生整体性能，从而实现增韧效果。

面芯界面使用芳纶短纤维薄膜改善界面微结构，蜂窝芯体与蒙皮接触孔壁部分被芳纶短纤维增韧树脂包裹，形成微观“圆角”增韧结构，能够提高界面粘接强度，当界面存在裂纹时，芳纶短纤维能够在裂纹处形成桥连结构，从而抑制裂纹扩展；同时，当芯体使用金属材料，蒙皮为碳纤维层合板时，芳纶短纤维能够在一定程度上避免面芯界面发生电化学腐蚀，提高结构稳定性。

使用纤维带增韧芯体在高度上与未增韧芯体保持一致，结构尺寸无明显变化，方便相关应用在现有设计基础上进行改进；同时本发明结构还具有良好的吸声效果，当蒙皮芯体均采用复合材料制造时，该夹芯结构还具有隐身功能。

附图说明

图1为纤维带增韧的蜂窝芯体示意图。

图2为纤维带增韧蜂窝芯体的夹芯结构平面示意图。

图3为纤维带增韧蜂窝芯体的夹芯结构三维示意图。

图4为碳纤维预浸带与铝蜂窝组成的组合芯体。

图5为纤维带足距为两个蜂窝单胞增韧夹芯梁与未增韧夹芯梁试样在32mm/min加载速率下的载荷位移曲线。

图6为纤维带足距为两个蜂窝单胞增韧夹芯梁与未增韧夹芯梁试样在32mm/min加载速率下的最终破坏模态，(a)为未使用纤维带增韧夹芯梁的最终破坏模态，(b)为使用纤维带增韧夹芯梁的最终破坏模态。

图7为有/无纤维带增韧夹芯梁面芯界面裂纹扩展示意图，(a)为未使用纤维带增韧夹芯梁面芯界面裂纹扩展示意图，(b)为使用纤维带增韧夹芯梁面芯界面裂纹扩展示意图。

图8为纤维带足距为三个蜂窝单胞增韧夹芯梁与未增韧夹芯梁试样在2mm/min加载速率下的载荷位移曲线。

图9为纤维带足距为三个蜂窝单胞增韧夹芯梁与未增韧夹芯梁试样在2mm/min加载速率下的最终破坏模态，(a)为未使用纤维带增韧夹芯梁的最终破坏模态，(b)为使用纤维带增韧夹芯梁的最终破坏模态。

图中：1纤维带；2蜂窝芯体；3上蒙皮；4芳纶短纤维薄膜；5下蒙皮；6树脂；7裂纹。

具体实施方式

本发明涉及一种纤维带增韧芯体的夹芯结构，该结构由上蒙皮，下蒙皮，蜂窝芯体，芳纶短纤维薄膜和纤维增韧带构成，所述纤维增韧带穿插蜂窝芯体形成纤维带增韧芯体，所述芳纶短纤维薄膜由短切芳纶纤维均匀铺设形成。

分别将下蒙皮、下芳纶短纤维薄膜、纤维带增韧蜂窝芯体、上芳纶短纤维薄膜和上蒙皮置于模具中，整体热压固化成型。其中芳纶短纤维薄膜置于蒙皮与纤维带增韧蜂窝芯体界面，上、下芳纶短纤维薄膜除分布位置不同，在结构及组成上没有任何差异。

具体实施例1：具有碳纤维带增韧铝蜂窝的夹芯板，其上、下蒙皮均由6层单向碳纤维布与ly5288/hy5289环氧树脂制成，其中6层碳纤维布均为正交铺设，蒙皮高(厚)度为1.2mm；铝蜂窝孔径为6mm，孔壁厚0.06mm，高度为10mm；增韧纤维带由单向碳纤维预浸料沿纤维方向剪切形成，碳纤维带宽度约3mm；芳纶短纤维薄膜由kevlar49制成，面密度为12g/m²，短纤维长度约为10mm。

在碳纤维带穿插铝蜂窝芯体的一个z形单元中，纤维带在一个芯体表面覆盖两个蜂窝单胞，两条纤维带间距一个蜂窝单胞，如图4所示。

前述材料按下蒙皮、下芳纶短纤维薄膜、纤维带增韧蜂窝芯体、上芳纶短纤维薄膜和上蒙皮在模具中依次铺装，在热压机中整体热压固化成型；其中热压机压强为0.6mpa，热压时，先将热压机以3℃/min加热速率加热到50℃，保温半个小时，再以2℃/min加热速率加热到70℃，保温半个小时后经自然冷却至室温，开模即可得到碳纤维带增韧铝蜂窝芯体的夹芯板。

将得到的夹芯板经切割加工成总长254mm，总宽25mm，总高度12.6mm的夹芯梁。设计跨长为150mm的三点弯曲试验，加载方式为位移加载。

图5给出了有/无纤维带增韧铝蜂窝芯体夹芯梁在加载速率为32mm/min时的载荷位移曲线，碳纤维带增韧夹芯梁与未增韧夹芯梁均有5个试样参与试验。结果显示，纤维带增韧试件与未增韧试件在初始弹性阶段的抗弯刚度基本一致，但极限载荷明显高于未增韧试件。在破坏阶段，未增韧试件载荷-位移呈现平滑特征，五个试件载荷-位移曲线呈现相同趋势，离散性较小；有纤维带增韧的试件在破坏初期载荷-位移曲线呈现明显的上下波动，且在破坏后期，五个试件载荷-位移曲线离散性较大。这是因为未增韧夹芯梁试件面芯界面树脂基体分布相对均匀，但由于界面粘接强度差，较早的出现芯体失稳破坏和界面分层破坏，导致夹芯梁较早的丧失了整体性，此时上、下蒙皮只能以各自中面为中性面提供抗弯刚度，不能以夹芯结构中面为中性面承载，降低了结构的承载能力，又因为芯体失稳破坏和面芯界面脱粘是逐渐发生的，所以未增韧试件载荷-位移曲线呈现光滑特征。而纤维带增韧的夹芯梁试件，面芯界面存在不连续的纤维带，这些纤维带提高了夹芯梁界面粘接强度，保证了夹芯梁试件发挥整体性能，但由于界面的不连续性，导致试件在发生界面破坏时，在强纤维带增韧区承载能力强，在弱纤维带增韧区承载能力弱，所以在破坏初期载荷-位移曲线会出现波动。

图6给出了使用纤维带增韧试件与未增韧试件的最终破坏形式，通过对试件破坏界面的观测，发现未使用纤维带增韧夹芯梁面芯界面一旦出现裂缝，便会引发蒙皮和芯体大面积脱粘，而纤维带增韧夹芯梁面芯界面只在维带未增韧区会产生裂缝，当裂缝扩展至纤维带增韧区时即停止扩展。有/无纤维带增韧夹芯梁面芯界面裂缝扩展示意图如图7所示，从图中可以看出，裂纹在面芯界面间的树脂中开裂时，裂纹会迅速扩展至芯体界面，对于未使用纤维带增韧的夹芯梁，由于树脂与芯体界面粘接强度较弱，裂纹一旦在芯体界面产生，就会导致蒙皮和芯体大面积脱粘；对于有纤维带增韧的夹芯梁，由于纤维带的隔断作用，裂纹无法继续在芯体界面扩展，从而避免了蒙皮和芯体大面积脱粘，保证结构发挥整体性能。

表1给出了有/无纤维带增韧铝蜂窝芯体夹芯梁在加载速率为32mm/min时平均极限载荷和平均能量吸收对比，具有碳纤维带增韧铝蜂窝芯体的夹芯梁平均极限载荷为1532.7n，相比于未增韧夹芯梁的1035.6n，平均极限载荷提高了48％；具有碳纤维带增韧铝蜂窝芯体的夹芯梁平均能量吸收为32.1j，相比于未增韧夹芯梁的23.6j，平均能量吸收提高了36％。

表132mm/min加载速率下两种夹芯梁的极限载荷和吸收能量对比

具体实施例2：具有碳纤维带增韧铝蜂窝的夹芯板，在碳纤维带穿插铝蜂窝芯体的一个z形单元中，纤维带在一个芯体表面覆盖三个蜂窝单胞，两条纤维带间距一个蜂窝单胞。夹芯板制备工艺与试样尺寸与实施例1相同，三点弯曲实验位移加载速率为2mm/min。

图8给出了有/无纤维带增韧铝蜂窝芯体夹芯梁在位移加载速率为2mm/min时的载荷位移曲线，其中纤维带增韧铝蜂窝芯体足距为三个蜂窝单胞，碳纤维带增韧夹芯梁与未增韧夹芯梁均有4个试样参与试验。从图中可以看出使用纤维带增韧的试样载荷位移曲线基本都在未增韧试样载荷位移曲线上方，这表明使用纤维带增韧的试样在三点弯曲过程中，承载能力与吸能性能均明显优于未增韧试样。与实施例1相比，由于加载速率不同，且实施例2中增韧试样纤维带足距大于实施例1中增韧试样的纤维带足距，两组试验有/无纤维带增韧试样极限载荷与能量吸收存在一定差异，但增韧试样均表现出了优异的增韧效果。

图9给出了使用纤维带增韧试件与未增韧试件的最终破坏形式，可以看出未增韧试样主要破坏模态为界面脱粘破坏，而纤维带增韧试样主要为蒙皮层间开裂破坏，这说明了纤维带增韧法在不破坏蒙皮完整性的前提下，有效的提高了面芯界面的韧性。

表2给出了有/无碳纤维带增韧铝蜂窝芯体夹芯梁在位移加载速率为2mm/min时平均极限载荷和平均能量吸收对比，具有碳纤维带增韧铝蜂窝芯体的夹芯梁平均极限载荷为1265.4n，未增韧夹芯梁的平均极限载荷为873.5n，平均极限载荷提高了44.9％；具有碳纤维带增韧铝蜂窝芯体的夹芯梁平均能量吸收为31.2j，未增韧夹芯梁的平均能量吸收为22.8j，平均能量吸收提高了36.8％。

表22mm/min加载速率下两种夹芯梁的极限载荷和吸收能量对比

以上结果表明本发明提供的纤维带增韧蜂窝芯体夹芯结构具有优异的界面韧性。